哈大客運專線沈大段深覆蓋型巖溶塌陷評價

1前言

哈大客運專線沈陽至大連段位于遼寧中南部地區，南起濱海城市大連，北至省會城市沈陽，穿越遼東半島，線路走向為北北東向，長約425km。沿線可溶巖分布段落較長，大連至普蘭店間、瓦房店、熊岳城附近、鞍山市域及遼陽市太子河附近均有分布，其中鞍山市域及遼陽市太子河附近為深覆蓋型巖溶（第四系土層厚度普遍大于40米），計3 段長約10.5km，設計以橋梁工程通過。該段勘察設計工作由鐵道第三勘察設計院承擔。

2地質背景

2.1巖溶發育特征

在大面積第四紀松散沉積層之下，發育著若干平行排列的北東向壓扭性斷裂構造及同期的次一級北西向張扭性斷裂。古地貌輪廓為一個向西和西北傾斜的隱伏灰巖斜坡帶，其上發育著一系列巖溶洼地與鼻狀突起、或溶蝕臺地地形。在地質構造、古地貌、古水文地質條件及巖性結構等多種因素的綜合影響和控制下，段落內巖溶發育極不均勻。巖溶表現形式主要有溶洞、溶槽、溶蝕裂隙等，勘探揭示溶洞的豎向洞徑0.5～9.8m，埋深為41.2～66.1m，溶洞（溶隙）多為全充填，局部地段為空洞或半充填。按巖溶發育強度分級，該地區巖溶總體屬巖溶微弱～弱發育，局部中等發育。

2.1.1巖溶平面發育特征

巖溶發育地段主要包括：⑴北西向的張性斷裂構造附近，如雙樓臺——前三家峪斷裂、李三臺子——紅旗堡斷裂、大望寶臺——前沙坨斷裂附近；⑵古溶蝕洼地內，如高占屯——又臺子溶蝕洼地、大勁旅——煙朗寨溶蝕洼地；⑶碳酸鹽巖中有相對的阻水地層或巖脈接觸部位、可溶巖與非可溶巖接觸部位；⑷上覆沖洪積扇強透水地層部位，如太子河附近。

2.1.2巖溶垂直發育特征

巖溶發育在垂直方向具有明顯的分帶性，根據鉆探資料統計，巖溶的發育在垂直方向上大致可分為三個帶：

⑴表層巖溶強發育帶，位于碳酸鹽巖頂部界面以下5～20m；⑵巖溶中等發育帶，位于碳酸鹽巖頂部界面以下20～60m，該帶巖溶發育程度明顯減弱，多沿構造裂隙、層間裂隙發育，形態以溶孔、溶隙為主，溶洞則呈扁豆狀或串珠狀，巖溶發育特點為體小分散。⑶下部巖溶弱發育帶：位于碳酸鹽巖頂部界面以下60m。

2.2第四系覆蓋層特征

根據勘探資料，從對巖溶塌陷影響的角度，可將該段土層結構劃分為兩大類型，分別代表第四系底部土層為粘性土或砂卵石土，再根據中間是否存在砂卵石含水層作進一步細分，見圖2.1。

I-A                I-B                  II-A             II-B

圖2.1   土層結構類型圖示

⑴一元結構土層（I－A）：第四系土層主要由粘性土構成。代表路段是名甲山特大橋將軍屯地區（DK279+317.33）。

⑵二元結構土層（II－A）：第四系土層可分為上下兩部分，上部由粘性土構成，下部由圓礫土、卵石土等構成，代表路段是名甲山特大橋名甲屯段（DK281+868.58）、王雙樹特大橋磚廠段（DK318+394.69）。

⑶三元結構土層（I－B）：第四系土層大致分為上中下三部分，上部由粘性土構成，中部由圓礫土、卵石土夾粘性土等構成，下部為粘性土，代表路段是王雙樹特大橋王雙樹村段（DK316+230.34）。

⑷多元結構土層（II－B）：第四系土層大致分為上中下三部分，上部由粘性土構成，中部由圓礫土、卵石土、粘土互層構成，下部為圓礫土或卵石土，代表路段是名甲山特大橋黃縣屯段（DK283+714.6）。

產生塌陷由易到難的土層結構順序是：II-B、II－A、I－B、I－A。同時粗粒土層的不均勻系數越大，在地下水滲流作用下，土層越容易發生滲透變形破環進而形成土洞。

2.3水文地質條件

該段地下水主要為第四系松散巖類孔隙水和碳酸鹽巖裂隙溶洞水，地下水一般埋深1～6m，個別地段受水源地開采影響埋深達18m左右，由于含水層間局部缺少相對隔水層，孔隙水和裂隙溶洞水往往具有相同的地下水位。松散巖類孔隙水主要為潛水，含水層主要為砂礫石層，厚度7～40m不等，水量豐富～極豐富。

孔隙水的補給形式主要為大氣降水入滲、稻田灌溉入滲、河水側向補給、邊界側向徑流補給及局部地段的巖溶水頂托補給。裂隙溶洞水主要由第四系孔隙水補給。

地下水排泄途徑主要是人工開采，該段從南向北依次為鞍山西部鐵西水源地、西郊水源地及遼陽市首山水源地，其它排泄途徑為地下徑流及地面蒸發。

雙層地下水的存在對塌陷的產生有重要影響，因為土層孔隙水對巖溶水的補給作用會因巖溶水位的變化而加劇，從而使相對隔水層中水力坡度增大，并發生破壞。兩個含水層的水力聯系越強，越有利于塌陷的發育。巖溶水位在基巖面附近上下波動最容易誘發土體塌陷。

3巖溶土洞、塌陷發育機理

巖溶土洞（塌陷）的形成主要包括以下幾個方面原因：

3.1巖溶發育程度

巖溶發育程度是發生土洞塌陷的必備條件，連通性好的大裂隙、洞穴不僅可以容納更多的潛蝕塌落物質，而且可將這些物質隨地下水遷移它處，為上覆松散層空洞的發展和塌陷形成提供條件。

3.2 滲透變形效應

由于巖溶水位的下降，第四系土層孔隙水向下滲流補給巖溶水的作用增強，在集中滲流點(巖溶管道開口、裂縫)附近，作用于上覆土層的水力坡度超過了土體發生滲透破壞的臨界水力坡度，土體發生滲透變形破壞。對于非粘性土，滲透變形以潛蝕為主；對于粘性土，滲透變形以流土為主；對于粘土卵（礫）石層或有結構面存在的粘性土，滲透變形以接觸沖刷為主。

3.3真空負壓效應

由于巖溶水位下降速度過快、幅度過大，第四系孔隙水來不及補給巖溶水，在基巖面附近的巖溶管道裂隙系統中，就會產生負壓。為了達到新的壓力平衡，當負壓的出現時，將會加速土層中的孔隙水（氣）向下補給巖溶水，提高在集中滲流點（巖溶管道開口、裂縫）附近作用于上覆土層的水力坡度，當水力坡度超過了土體發生滲透破壞的臨界水力坡度，土體發生滲透變形破壞。

3.4浮托力喪失

當土洞形成后，水位的下降，將減小作用在土體中的浮托力，使土體下塌、破壞，此外充填在巖溶裂隙中的流塑狀粘土在巖溶水位下降時，容易發生流動，從而引起上覆土層的變形或破壞，產生土洞或塌陷。

3.5土體崩解

當巖溶地下水為承壓時，反復抽（排）巖溶水，會使土洞周圍土體發生崩解，使土洞不斷擴展，最后導致塌陷產生。

3.6工程荷載

路堤、橋梁、房屋建筑等基礎坐落于巖溶空洞之上時，將對空洞頂板施加靜荷載，鐵路運營期間，當列車經過時，還要施加活載和震動作用。當巖溶空洞原平衡穩定條件被打破時，就會誘發巖溶塌陷的發生。

4巖溶土洞穩定性分析

4.1巖溶土洞形成演化和塌陷過程分析

⑴洞頂垮塌e堆積e潛蝕搬運循環發展模式（第一種模式）

在地下水滲流作用比較強的地區（巖溶水位波動大、頻率高，第四系水位遠高出巖溶水位），地下水的作用，會使土洞逐漸垮塌，而且垮塌的土體容易被地下水帶走，洞頂向上擴展，形成地面塌陷，如圖4.1所示。

圖4.1  巖溶土洞塌陷的形成演化過程圖示

⑵洞頂垮塌e空腔填塞e相對穩定模式（第二種模式）

在地下水滲流作用比較弱的地區，土洞在地下水長期浸泡下發生垮塌，由于地下水作用相對較弱，無法將垮塌土體帶走，因此，整個土洞會被填滿，土洞進入相對穩定階段，這種情況下，一般不會在地面產生塌陷坑，見圖5.2。

圖4.2   巖溶土洞演化過程圖示

4.2巖溶土洞穩定性評價

第一種模式，最終將會形成地面塌陷，發展的速度主要取決于地下水的變化特點。結合該段調查、勘探實際情況，就是說取決于地下水開采強度。

第二種模式，土洞頂板坍塌后體積松脹，當塌落向上發展到一定高度時，洞體完全被松脹物填塞，土洞發展的上限以采用洞體頂坍塌自行填塞估算法進行計算。

假設現有土洞形態為半球形，半徑等于鉆探得到的土洞高度（h₀），土洞垮塌穩定時的頂板形態也呈半徑為h₀的半球形，塌落高度H的計算方法如下：

VK=V₀+V                                                 (1)

式中：V₀為原土洞體積，V新垮塌體積，K為垮塌體松脹系數。

V=ph₀²H

V₀=2ph₀³/3    

代入公式（1），得：

H=2h₀/3(k-1)                                            (2)

一般地，松散層松脹系數k＝1.05～1.10，勘察過程中共揭露8個土洞（溶洞），均未塌至地表，其中7個土洞在基巖面附近，一個在土中（距基巖面10m左右，推測正在塌陷），現場調查、訪問地表塌陷點計10處，其中水源井井口塌陷7處，占比70%，海城地震時塌陷1處，水井施工孔塌孔1 處、雨后地表塌陷1處（1984年8月），綜合分析取松漲系數1.10比較恰當，則塌落高度H：

H=6.7h₀                                    (3)

由公式3可見，土洞頂板垮塌高度的上限大約為已有土洞高度的6.7倍，對比勘探所揭示的土洞大小、埋深等，判定正常情況不會塌至地表。

4.3人類活動特征與趨勢

沿線影響巖溶塌陷發育的主要人類活動是地下水開采，據調查DK283＋430～DK319＋350段分布3個水源地，線路兩側分布130多口水源井。

線路于K283+430～K287+200段穿越鐵西水源地沉降漏斗西邊緣（名甲山特大橋工點），該水源地86.7%水井開采混合水，其余的13.3%開采巖溶水。此水源恰好位于高占屯——雙臺子溶蝕洼地中，所以對客運專線建設影響較大。距離線路最近井位700m左右。

西郊水源地位于DK287+750右側，80％的水井開采混合水，其余的20％開采第四系水，距離線路較遠，地下水開采對擬建工程無影響。

線路大約于DK305＋300～DK318+300間（王雙樹特大橋工點）穿越遼寧省最大地下水降落漏斗——首山地下水降落漏斗。首山水源地位于太子河沖洪積扇地帶，在1919年就已開發利用，地下水的開采有近百年歷史，97％的水井開采第四系水，剩余3％開采混合水，隨著開采規模不斷擴大，2001年前后漏斗區面積達最大，以后開采量保持相對穩定，地下水漏斗保持穩定并有減小的趨勢。首山水源地中的6口水井距離線路中心線距離小于200m。

伴隨著《遼寧省地下水開發保護行動規劃》實施，2010年后各水源地達到采補動態平衡。鐵西水源地地下水降落漏斗也將會縮小，巖溶水位會有所回升。

4.4工程勘察及評價

對下伏可溶巖橋梁工點原則上實行逐墩勘探，發現巖溶的橋墩視土洞（溶洞）大小增加鉆孔數量1～5孔，洞徑特別大時逐樁鉆探，鉆孔深度全部進入基巖內不小于10m。

勘察期間通過鉆孔采取17組樣品進行室內試驗測定了土層的滲透變形性能及發生變形破壞的臨界坡降，見表4.1。

原狀土樣滲透變形及發生破壞的臨界水位下降速度試驗成果表  表4.1

現場布置了5個監測點埋設傳感器8支，歷時12天監測名甲山特大橋和王雙樹特大橋在水源地段落內的地下水位動態變化規律。監測表明地下水位主要受生活用水、農業灌溉或工業用水的影響每天周期性變化，同一個監測點巖溶水和第四系孔隙水水位波動基本同步，巖溶水的波動幅度略高于孔隙水。王雙樹特大橋兩個監測點的兩層水位基本一致，差值0.37m～0.55m之間。名甲山特大橋僅黃縣屯監測點兩層水的水位差大，差值在12.5m～13.3m之間，代表段落為DK283＋012～DK283＋736地段。監測顯示兩橋巖溶水位下降速度0.2 cm/min～2.0cm/min。王雙樹特大橋實測滲透坡降0.044左右，名甲山特大橋實測滲透坡降分別為0.019、0.068、3.69。

采用巖溶塌陷動力條件與土層抗塌條件相結合的綜合分析方法，確定以臨界坡降、臨界速度、臨界水位等三個指標作為產生巖溶土洞（塌陷）的判別條件。通過室內試驗結果和監測數據對比，僅有名甲山特大橋黃縣屯監測點實測滲透坡降3.69，大于底部土層臨界坡降2.38，且土層結構為最易塌陷的II－B型多元結構，存在形成土洞（塌陷）危險，其它監測點不滿足判別條件，土層結構相對較好，形成土洞（塌陷）危險性較小。因此名甲山特大橋DK283＋012－DK283＋736遵循洞頂垮塌e堆積e潛蝕搬運循環發展模式，形成土洞（塌陷）的可能性較大；王雙樹特大橋及名甲山特大橋其它巖溶段遵循洞頂垮塌e空腔填塞e相對穩定模式，土洞塌陷至地表的可能性不大。

5小結

哈大客專深大段深覆蓋型巖溶塌陷總體上來說危險性較小，僅DK283＋012－DK283＋736段形成土洞塌陷的可能性較大，為確保高速鐵路平穩、安全運營，距離鐵路客運專線距離小于200m的混合水或巖溶水水源井應停止開采；水源地附近且下伏可溶巖段落橋梁基礎應采用嵌巖樁；對勘探揭示的土洞，采取注漿充填處理。

確?！哆|寧省地下水開發保護行動規劃》落到實處，嚴格控制線路附近巖溶水的開采量，避免地下水過量開采導致第四系地層塌陷，對工程造成危害。

建立地面沉降、地下水位長期動態及巖溶塌陷觸發因素監測網絡，發現異常及時采取有效措施。 

參考文獻

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